拉索式蛇行机械臂可视化交互控制策略研究

摘要

蛇行机械臂能够灵活地调整自身的姿态，安全地穿越狭窄的受限空间并通过搭载不同的末端执行器完成各类作业任务，因而在传统工业机械臂无法进入的复杂环境中有广阔的应用前景。但相较于成熟的工业机械臂，蛇行机械臂结构复杂，驱动方式各异，高度冗余的自由度在保证蛇行机械臂具有极高灵活性的同时也导致了极大的控制难度。 针对蛇行机械臂姿态调节困难、操作复杂低效的问题，本文研究了串联关节型蛇行机械臂的交互控制策略，在整臂姿态调节和末端灵巧作业两个层面提出了多种适用于不同场合的姿态控制方法，并针对并联拉索驱动方式，通过运动学建模分析多关节驱动解耦方法，实现了对拉索式蛇行机械臂的关节独立控制，在此基础上采用三维可视化技术进行蛇行机械臂的运动控制仿真，结合三维重建技术模拟了在真实场景下的作业过程，最后进行了蛇行机械臂样机的控制实验并与仿真结果进行对比，验证了仿真结果的正确性和交互控制策略的有效性，所提出的方法能够满足实际蛇行机械臂整体姿态和末端定位的控制需求，简化人机交互操作过程，提高作业效率。 本文研究内容分为六章，基本结构如下: 第一章介绍了蛇行机械臂的研究现状和工程可视化仿真技术的研究概况，针对研究课题提出了研究目标并确定了研究内容和技术路线。 第二章根据串联关节型蛇行机械臂的机械结构和驱动原理进行了运动学分析，获得了关节空间到任务空间的映射关系，并通过分析单关节三线驱动原理获得了关节空间到驱动空间的映射关系，实现了多关节的驱动解耦。 第三章研究了多种适用于不同场合的姿态控制策略，使用Matlab进行数值计算，根据关节空间到任务空间的映射关系获得蛇行机械臂在不同控制策略下的运动过程。 第四章介绍了三维可视化虚拟作业仿真平台的构建过程，分别在自行搭建的虚拟场景和经过三维重建获得的实际场景中进行了动态交互式作业仿真。 第五章在蛇行机械臂样机上对不同的交互控制策略进行了实验测试，验证了理论分析和仿真结果的正确性，此外还分析了控制算法的效率，进一步证明提出的方法能够满足实际应用的需求。 第六章总结了全文的研究内容和主要结论，并对未来的研究工作进行了展望，根据目前的进展指明了尚待进一步深入的研究方向。

目录

声明

致谢

摘要

第一章绪论

1．1研究背景

1．2国内外研究现状

1．2．1拉索式蛇行机械臂研究概况

1．2．2蛇行机械臂运动学建模与控制技术概况

1．2．3工程可视化仿真技术概况

1．3研究目标与研究内容

1．3．1研究目标

1．3．2研究内容

1．3．3技术路线与创新点

1．4本章小结

第二章蛇行机械臂运动学分析

2．1机械结构与驱动原理

2．2蛇行机械臂运动学建模

2．3三线制拉索式关节驱动特性分析

2．3．1拉索位置排布

2．3．2单关节三线驱动原理

2．3．3多关节拉索位移解耦

2．4本章小结

第三章机械臂灵巧作业交互控制策略研究

3．1针对整臂姿态的控制策略

3．1．1正向姿态控制

3．1．2逆向姿态控制

3．1．3曲线拟合姿态控制

3．1．4蛇行随动控制

3．2针对末端位姿的控制策略

3．2．1末端位姿控制

3．2．2离线轨迹控制

3．3本章小结

第四章三维可视化虚拟作业仿真

4．1．1软件环境与开发工具

4．1．2主要模块功能实现

4．1．3虚拟作业可视化仿真

4．2基于三维重建的作业实景离线仿真

4．2．1三维重建技术概况

4．2．2作业实景的三维重建

4．2．3重建实景的离线作业仿真

4．3本章小结

第五章蛇行机械臂系统控制实验

5．1蛇行机械臂系统样机

5．2．1逆向姿态控制实验

5．2．2离线轨迹控制实验

5．2．3曲线拟合姿态控制实验

5．3机械臂姿态角度误差分析

5．4曲线拟合姿态控制算法效率分析

5．5本章小结

第六章总结与展望

6．1工作总结

6．2未来展望

参考文献

作者简历